電子設備密封設計

巫恩禹

（成都天奧電子股份有限公司，成都 610037）

隨著科學技術的快速發展，電子設備的環境條件和工作要求越來越苛刻。調查分析顯示，潮氣、鹽霧、霉菌以及溫度等環境因素極易影響設備性能、壽命，甚至造成電子設備故障或損壞。密封設計能有效降低元器件的選型要求，增加電子設備的環境適應性。電子設備密封主要采用橡膠材料密封，利用材料形變與裝配面間的壓力達到密封效果，且不影響設備的維修性。本文通過對橡膠性能特性、密封原理、密封結構及設計計算的研究，確保電子設備的密封性。

1 材料特性

電子設備密封，對材料常有如下要求：適當的機械強度，包括擴張強度、伸長率和抗撕裂強度等；要有彈性和回彈性；耐氧性和耐老化性好，經久耐用；化學性能穩定，熱收縮率小，在高溫下不分解、不軟化，在低溫下不硬化、不影響使用；接觸面不易腐蝕，不污染介質[1]。橡膠是具有可逆形變的高彈性聚合物，在一定溫度范圍內富有彈性，在很小的外力作用下能產生較大形變，去除外力后能恢復形狀，是滿足上述密封要求的最合適且最常用的材料。

橡膠的物理性能、機械性能與普通的結構材料差別很大。它的壓縮彈性模量與體積彈性模量有較大差異，壓縮彈性模量為3～8 MPa，體積彈性模量高達220 MPa。根據橡膠的配方不同，性能也不相同，選用時需重點關注耐磨性、伸長率、拉斷伸長率、耐候性、拉伸強度、壓縮永久變形性、邵氏硬度以及脆性溫度[2]。常用的幾種密封橡膠性能參見表1。其中，5為超優，4為優，3為佳，2為差，1為劣。

表1 常見橡膠材質物性比較

橡膠密封件滯后損失小，所以耐各種曲饒和彎曲變形，能與多種材料進行并用、共混、復合，由此進行優化得到良好的綜合性能，是密封的優選材料。

2 密封原理

如圖1所示，密封圈裝入密封槽。按預設計的溝槽尺寸，密封蓋貼合密封面后，壓縮密封圈截面變形產生彈性應力，即初始密封力p0。此時為預密封作用，密封圈與被密封光滑面和溝槽底面緊密接觸。當密封界面內外有壓力差時，介質通過間隙進入溝槽對密封圈的一側面起作用。在壓力作用下，密封圈向低壓方向移動變形并填充間隙。密封圈被推向溝槽另一側面而擠壓成D形，并把壓力傳遞給接觸面。這樣由系統壓力而產生的密封力p1為

圖1 密封原理

式中：K為橡膠材料密封圈壓力傳遞系數，取K=1；p為密封界面壓力差。

此時，密封系統總的密封力即密封接觸壓力為pm。它隨系統壓力的增大而增大，表達式為

一般K≥1，所以pm＞p。只要接觸壓力大于密封壓力，就不會發生泄漏。這種自密封作用極大地保障了密封性能。大量工程實踐證明，這種密封作用對防止泄漏很有效。

3 密封結構

3.1 密封設計常規要求

電子設備的密封應與表面防護、結構細節及電磁兼容綜合考慮。

設計時的一般要求包括：

（1）密封條安裝在不易損傷的位置，且在安裝時需注意金屬表面清潔；

（2）保證結構件強度，不能因運輸或工作時的振動、沖擊、溫度變化以及殘余應力而引起零件變形影響密封；

（3）考慮密封結構的可視性和可達性，方便密封操作，并可檢查、維修；

（4）密封間隙大小恰當，膠接密封時考慮不同密封材料涂施，在橡膠密封時防止擠出變形、損傷；

（5）機箱結構形式簡單，保證足夠的密封尺寸，表面應平整、連續，并避免急劇的轉角和局部應力集中，對凹槽或縫隙可用施敏打硬8008填充；

（6）盡量減少需要密封的區域與開口尺寸；

（7）螺釘排布于密封區域外圍，并選擇合適的直徑和螺距，使接合面有足夠的壓力，保證密封條達到預期變形，防止結構件明顯變形；

（8）設備箱體或盒體應采用整體結構，如通過機械加工、模壓鑄造、焊接等成型方式，保證良好的導電連續性和水汽密封連續性[3]。

3.2 連接器與電纜密封設計

連接器和電纜用于電子設備信號傳輸。因為需要穿透設備殼體，所以它的密封設計是整機密封設計的重點。連接器的密封形式有密封墊、O形圈以及密封劑填邊槽等[4]。外接可拆卸電纜可使用烙克賽克公司的模塊化穿隔系統進行穿孔密封。這種標準密封模塊可靈活適配多種規格的電纜和管道，并可在穿隔系統內提供備用容量，可在最少的空間內密封大量的金屬包覆電纜、鎧裝電纜或屏蔽電纜，但在裝配工藝上需嚴格規范工藝流程[5]。連接線纜也可使用線束密封塞，要求內孔表面至少有兩個唇，形成多個密封接觸面。在電線插入后徑向壓縮，即使電線彎曲，內唇輪廓也能確保良好的密封。電纜連接器尾部附件通常采用灌封技術，推薦選用環氧樹脂E-51、E-44和硅橡膠GN512、GD414填充產品，并排除空氣與外界隔離，達到產品防護要求。

4 接合面表面粗糙度與圓角

對氣體或液體密封情況下的緊配合靜密封，在壓力作用下，彈性體將緊貼不規則的密封表面，密封效果直接取決于密封表面質量。被密封表面應滿足一些基本要求，物料來料時應特別檢驗密封表面不得有劃痕、碰撞痕、同心或螺旋狀的加工痕跡。溝槽和配合件表面粗糙度應滿足表2的相關要求。

表2 各種密封應用情況下表面粗糙度

溝槽設計時應考慮圓角。槽口處的圓角是為了防止密封圈裝配時被刮傷。裝配時，由于收縮力作用或自身不均勻拉伸，密封圈與槽口擠壓接觸。如槽口無圓角，鋒利的棱角很容易刮傷它。槽底加工過程中無圓角時很容易磨損，且造成結構件應力集中。但是，如果這兩處圓角太大，很容易發生擠出現象。根據使用經驗，一般取值槽口r為0.1～0.2 mm，槽底R為0.2～0.5 mm。

5 密封結構的設計計算

對可拆卸的密封結構，密封圈安裝在各種溝槽中使用。燕尾形溝槽摩擦力很低，但加工費用高。半圓形溝槽只用于旋轉密封。V形溝槽只適用于固定密封，若用作動密封，則摩擦阻力很大，易擠進間隙，造成損傷。矩形溝槽加工容易，易保證壓縮量，是最常用的溝槽形式。密封圈有O形、D形、Y形以及U形等截面形狀，其中O形圈本身尺寸標準化，互換性強，成本低廉，設計簡單，裝拆方便，適合多種密封結構，是使用最廣泛的截面形式。本文使用矩形溝槽和O形圈，設計考慮密封圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配。

密封圈裝配于溝槽，當裝配面貼合后，密封圈截面直徑由d1壓縮為d2，相對變形量ε為

若密封圈壓縮量過小，會引起泄漏；若密封圈壓縮量過大，會導致密封圈永久變形甚至損壞而引起泄漏。因此，一般相對變形量ε取20%～30%。

如圖2所示，使用圓形截面橡膠密封圈，密封槽的尺寸由式（4）和式（5）確定。

圖2 密封截面的結構尺寸

無論是在橡膠界還是在材料力學界，橡膠常常被視為不可壓縮材料。不可壓縮是指變形以后總體積不變且泊松比為0.50，但實際上這樣的理想材料是不存在的。橡膠是比較接近這種特性的材料，泊松比為0.47。

選擇橡膠材料時，已經考慮材料在介質中不易溶脹和加工尺寸與成型精度穩定等因素。所以假設橡膠不可壓縮，在確定槽深后，槽寬b是槽深h的函數，有

式中：α為波動權重，取值為110%～120%。

計算橡膠圈的壓縮應力，橡膠材料的彈性模量E為

式中：G為橡膠材料剪切模量；μ為泊松比。

橡膠圈的彈性模量Ep為

式中：f為金屬與橡膠間的摩擦系數。

達到密封時橡膠圈所需的壓緊力F為

式中：S為橡膠圈與密封蓋的接觸面積。

計算得到橡膠圈壓緊力后，應驗算密封蓋螺釘直徑、數量是否滿足要求。螺釘要承受密封蓋的反作用力和自身殘余預緊力的綜合作用，取預緊力安全系數為1.2。考慮可能需要補充預緊及扭轉剪應力的作用，取剪應力安全系數為1.3。同時，取螺釘材料屈服強度安全系數為1.2。

于是，螺釘數量需要滿足如下關系

式中：n為螺釘數量；σs為螺釘材料屈服強度；As為螺釘應力截面積。

6 結語

橡膠的材料和密封結構形式種類繁多，因此設計電子設備的密封形式、結構尺寸時，應秉承既簡單經濟又可靠實用的原則，根據電子設備的結構形式、尺寸、形狀以及工作條件等，有針對性地選擇合適的橡膠材料、截面形式，以適應不同的工作環境。